Linux磁盤系統——磁盤系統簡介

Linux磁盤系統——磁盤系統簡介

摘要：本文主要學習了Linux系統中有關磁盤的一些知識。

文件系統

說明

硬盤是用來存儲數據的，能夠將其想象成櫃子，只不過櫃子是用來存儲衣物的。新買來的硬盤，一般要對其進行分區並格式化。分區就如同把一個大櫃按照要求分割成幾個小櫃子。格式化就比如在每一個小櫃子中打入隔斷，決定每一個隔斷的大小和位置，而後在櫃門上貼上標籤，標籤中寫清楚每件衣服保存的隔斷的位置和這件衣服的一些特性。

在格式化的過程當中會向硬盤中寫入文件系統。由於不一樣的操做系統，管理文件的方式也不盡相同（給文件設定的屬性和權限也不徹底同樣），所以，爲了使硬盤有效存放當前系統中的文件數據，就須要將硬盤進行格式化，令其使用和操做系統同樣（或接近）的文件系統格式。

不一樣的文件系統，其運做模式和操做系統的文件數據有關。

虛擬文件系統

文件系統指文件存在的物理空間。在Linux系統中，每一個分區都是一個文件系統，都有本身的目錄層次結構。

Linux的最重要特徵之一就是支持多種文件系統，這樣它更加靈活，並能夠和許多其它種操做系統共存。

Virtual File System（虛擬文件系統）使得Linux能夠支持多個不一樣的文件系統，因爲系統已將Linux文件系統的全部細節進行了轉換，因此Linux核心的其它部分及系統中運行的程序將看到統一的文件系統。

Linux的虛擬文件系統容許用戶同時能透明地安裝許多不一樣的文件系統，虛擬文件系統是爲Linux用戶提供快速且高效的文件訪問服務而設計的。

文件系統類型

minix：在Minix操做系統上使用的文件系統，Linux上運行的第一種文件系統。它有不少限制：64M分區大小限制，短文件名，惟一時間戳等等。只有軟盤或者RAM中可能用的到。

ext：minix文件系統的複雜擴展，Linux中最先的文件系統，因爲在性能和兼容性上具備不少缺陷，已經被ext2文件系統徹底取代。

ext2：是ext文件系統的擴展，能夠給Linux的文件系統提供最佳支持（主要是速度和CPU使用上），支持最大16TB的分區和最大2TB的文件。

ext3：是ext2文件系統的擴展，最大的區別就是帶日誌功能，以便在系統忽然中止時提升文件系統的可靠性，支持最大16TB的分區和最大2TB的文件。

ext4：是ext3文件系統的擴展。ext4在性能、伸縮性和可靠性方面進行了大量改進，支持最大1EB文件系統和16TB文件、無限數量子目錄、Extents連續數據塊的概念、快速FSCK、日誌校驗、無日誌模式、等。它是CentOS 6的默認文件系統。

xfs：xfs是一個64位文件系統，最大支持8EB減1字節的單個文件系統，實際部署時取決於宿主操做系統的最大塊限制。對於一個32位Linux系統，文件和文件系統的大小會被限制在16TB。它是CentOS 6的默認文件系統。

swap：swap是Linux中用於交換分區的文件系統（相似於Windows中的虛擬內存），當內存不夠用時，使用交換分區暫時替代內存。通常大小爲內存的2倍，可是不要超過2GB。它是Linux的必需分區。

nfs：nfs是網絡文件系統（Network File System）的縮寫，是用來實現不一樣主機之間文件共享的一種網絡服務，本地主機能夠經過掛載的方式使用遠程共享的資源。

iso9660：光盤的標準文件系統。Linux要想使用光盤，必須支持iso9660文件系統。

fat：就是Windows下的fatl6文件系統，在Linux中識別爲fat。

vfat：就是Windows下的fat32文件系統，在Linux中識別爲vfat。支持最大32GB的分區和最大4GB的文件。

ntfs：就是Windows下的ntfs文件系統，不過Linux默認是不能識別ntfs文件系統的，若是須要識別，則須要從新編譯內核才能支持。它比fat32文件系統更加安全，速度更快，支持最大2TB的分區和最大64GB的文件。

ufs：Sun公司的操做系統Solaris和SunOS所採用的文件系統。

proc：Linux中基於內存的虛擬文件系統，用來管理內存存儲目錄/proc。

sysfs：和proc同樣，也是基於內存的虛擬文件系統，用來管理內存存儲目錄/sysfs。

tmpfs：也是一種基於內存的虛擬文件系統，不過也可使用swap交換分區。

硬盤分區

含義

磁碟的組成主要有磁碟盤、機械手臂、磁碟讀取頭與主軸馬達所組成，而資料的寫入實際上是在磁碟盤上面。磁碟盤上面又可細分出磁區（Sector）與磁軌（Track）兩種單位，其中磁區的物理量設計有兩種大小，分別是512B與4KB。

整個磁碟的第一個磁區特別的重要，由於他記錄了整顆磁碟的重要數據。早期磁碟使用的分割格式稱爲MBR（Master Boot Record）格式，可是因爲近年來磁碟的容量不斷擴大，形成讀寫上的一些困擾，甚至有些大於2TB以上的磁碟分割已經讓某些做業系統沒法存取，所以後來又多了一個新的磁碟分割格式，稱爲GPT（GUID Partition Table）。

分區格式

1）MBR

早期的Linux系統爲了兼容於Windows的磁碟，所以使用的是支持Windows的MBR（Master Boot Record）的方式來處理開機管理程序和分割表。而開機管理程序紀錄區與分割表則統統放在磁碟的第一個磁區，這個磁區一般是512B的大小（舊的磁碟磁區都是512B），因此說，第一個磁區512B會有這兩個數據：

主要開機記錄（Master Boot Record，MBR）：能夠安裝開機管理程序的地方，有446B。
分割表（Partition Table）：記錄整顆硬碟分割的狀態，有64B。

因爲分割表所在區塊僅有64B容量，所以最多僅能有四組分區，每組分區記錄了該區段的啓始與結束的磁柱號碼，能夠經過擴展分區的方式增長分區的個數。

一個磁盤最多隻能有一個擴展分區，擴展分區不可以格式化，裏面能夠分出邏輯分區。邏輯分區的區號從sda4開始，前面3個分區是保留給主分區使用的，第4個分區sda4表明擴展分區。

2）GPT

由於最新的磁盤的扇區有可能爲4K，所以GPT爲了和MBR相兼容，使用了邏輯區塊位址（Logical Block Address，LBA）來代替扇區，GPT將磁碟全部區塊以此LBA（預設爲512B）來規劃，第一個LBA稱爲LBA0（從0開始編號）。

LBA0中446字節存儲開機管理程序，而在本來的分割表的紀錄區內，僅放入一個特殊標誌的分割，用來表示此磁碟爲GPT格式。

LBA1紀錄了分割表自己的位置與大小，同時紀錄了備份用的LBA區塊放置的位置。

在LBA2區塊到LBA33區塊，每一個LBA能夠記錄四個分區信息，所以能夠記錄32*4=128個分區信息。每一個LBA爲512B，所以每一個分區使用128B來記錄，用64B來記錄分區的起始或結束LBA，所以一個分區理論最大爲2^64*512B=2^33TB。

開機流程中的開機檢測程式

基本上，目前的主機系統在載入硬體驅動方面的程序，主要有早期的BIOS與新的UEFI兩種機制。

1）BIOS

BIOS是一個寫入到主機板上的一個程序，是開機時電腦系統會主動執行的第一個程序。

接下來BIOS會去分析電腦裏面有哪些儲存設備，咱們以硬碟爲例，BIOS會依據使用者的設定去取得可以開機的硬碟，而且到該硬碟裏面去讀取第一個磁區的MBR位置。MBR這個僅有446B的硬碟容量裏面會放置最基本的開機管理程序，此時BIOS就功成圓滿，而接下來就是MBR內的開機管理程序的工做了。

2）UEFI

若是你的分割表爲GPT格式的話，那麼BIOS也可以從LBA0的區塊讀取第一階段的開機管理程序碼。若是你的開機管理程序可以認識GPT的話，那麼使用BIOS一樣能夠讀取到正確的做業系統核心。

換句話說，若是開機管理程序不懂GPT，那天然就沒法讀取核心檔案，開機就失敗了。

因爲LBA0僅提供第一階段的開機管理程序，所以若是你使用相似GRUB的開機管理程序的話，那麼就得要額外分出一個BIOS Boot的分割槽，這個分割槽可以放置其餘開機過程所需的程序。在CentOS當中，這個分割槽一般佔用2MB左右而已。

爲了解決這個問題，所以就有了UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）這個統一可延伸程序界面的產生。UEFI直接從預啓動的操做環境加載操做系統，簡化開機過程有效提升啓動速度。

另外，與BIOS模式相比，雖然UEFI能夠直接取得GPT的分割表，不過最好依舊擁有BIOS Boot的分割槽支援。同時，爲了與Windows兼容，而且提供其餘第三方廠商所使用的UEFI應用程式儲存的空間，你必需要格式化一個vfat的檔案系統，大約提供512MB到1G左右的容量，以讓其餘UEFI執行較爲方便。

硬盤分區的好處

1）方便管理和控制

首先，能夠將系統中的數據（也包括程序）按不一樣的應用分紅幾類，以後將這些不一樣類型的數據分別存放在不一樣的磁盤分區中。因爲在每一個分區上存放的都是相似的數據或程序，這樣管理和維護就簡單多了。

2）提升系統的效率

給硬盤分區，能夠直接縮短系統讀寫磁盤時磁頭移動的距離，也就是說，縮小了磁頭搜尋的範圍；反之，若是不使用分區，每次在硬盤上搜尋信息時可能要搜尋整個硬盤，因此速度會很慢。另外，硬盤分區也能夠減輕碎片（文件不連續存放）所形成的系統效率降低的問題。

3）使用磁盤配額的功能限制用戶使用的磁盤量

因爲限制用戶使用磁盤配額的功能，只能在分區一級上使用，因此，爲了限制用戶使用磁盤的總量，防止用戶浪費磁盤空間（甚至將磁盤空間耗光），最好將磁盤先分區，而後在分配給通常用戶。

4）便於備份和恢復

硬盤分區後，就能夠只對所需的分區進行備份和恢復操做，這樣的話，備份和恢復的數據量會大大地降低，並且也更簡單和方便。

掛載硬件設備

爲何要掛載

Linux系統中「一切皆文件」，全部文件都放置在以根目錄爲樹根的樹形目錄結構中。在Linux看來，任何硬件設備也都是文件，它們各有本身的一套文件系統（文件目錄結構）。

所以產生的問題是，當在Linux系統中使用這些硬件設備時，只有將Linux自己的文件目錄與硬件設備的文件目錄合二爲一，硬件設備才能爲咱們所用。合二爲一的過程稱爲「掛載」。若是不掛載，經過Linux系統中的圖形界面系統能夠查看找到硬件設備，但命令行方式沒法找到。

什麼是掛載

掛載，指的就是將設備文件中的頂級目錄鏈接到Linux根目錄下的某一目錄（最好是空目錄），訪問此目錄就等同於訪問設備文件。因爲掛載操做會使得原有目錄中文件被隱藏，所以根目錄以及系統原有目錄都不要做爲掛載點，會形成系統異常甚至崩潰，掛載點最好是新建的空目錄。Linux系統使用任何硬件設備，都必須將設備文件與已有目錄文件進行掛載。

根目錄下的/dev/目錄文件負責全部的硬件設備文件，事實上，當U盤插入Linux後，系統也確實會給U盤分配一個目錄文件，就位於/dev/目錄下，但沒法經過目錄文件直接訪問U盤數據，訪問此目錄只會提供給你此設備的一些基本信息（好比容量）。